JP2021536329A - Wearable active auxiliary device - Google Patents

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アレハンドロ サンチョ プチャデス,
カイ シュミット,
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マイオスイス アーゲー
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Abstract

本発明は、アクチュエータと制御装置とを備えるウェアラブルアクティブ補助デバイスに関し、アクチュエータは、使用時に肢補助を提供し、アクチュエータによって伸縮させられる少なくとも1つの力伝達要素を介して能動的に補助される肢に結合され、制御装置は、複数のセンサからの信号のための入力と、複数のセンサからの入力信号を処理するための信号処理ステージと、処理されたセンサ信号に従ってモータ作動信号を出力するための出力ステージとを有し、制御装置は、肢補助度を選択するための肢補助度選択入力をさらに有し、信号処理ステージは、複数のセンサによって現在検出されている運動または姿勢に対応して、伸縮させられる少なくとも1つの力伝達要素の伸長を継続的にモデル化し、上記少なくとも1つの力伝達要素のモデル化された伸長に従いかつ選択された最小肢補助度に応答して継続的にアクチュエータ作動信号を出力するように適応される。【選択図】図1INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention relates to a wearable active assist device comprising an actuator and a control device, wherein the actuator provides limb assistance during use and is actively assisted via at least one force transmission element stretched and contracted by the actuator. Combined, the controller outputs a signal processing stage for processing inputs from multiple sensors and input signals from multiple sensors, and a motor activation signal according to the processed sensor signals. With an output stage, the controller further has a limb assist degree selection input for selecting the limb assist degree, and the signal processing stage corresponds to the movement or posture currently detected by multiple sensors. The extension of at least one force transmitting element to be stretched is continuously modeled, and the actuator is continuously actuated according to the modeled extension of at least one force transmitting element and in response to the selected minimum limb assistance degree. Adapted to output a signal. [Selection diagram] Fig. 1

Description

本発明は、ウェアラブルアクティブ補助デバイスに関する。 The present invention relates to a wearable active auxiliary device.

ウェアラブルアクティブ補助デバイスが周知である。それらは、特に、例えば事故に起因して、最近の手術に起因して、または別の医療状態に起因して、損傷した患者を彼または彼女の運動において補助するために用いられ得る。ウェアラブルアクティブ補助デバイスは、患者が少なくとも正常に近い態様で運動することを助け、ユーザが補助デバイスなしで正常な態様で運動するトレーニングをすることを助けるためにも用いられ得る。これは、肢の運動を能動的に補助することによるのみでなく、外部的なサポートおよび安定性を提供することによっても行われ得る。 Wearable active auxiliary devices are well known. They can be used to assist an injured patient in his or her exercise, especially due to an accident, due to recent surgery, or due to another medical condition. Wearable active auxiliary devices can also be used to help the patient exercise at least in a near-normal manner and to train the user to exercise in a normal manner without the auxiliary device. This can be done not only by actively assisting limb movements, but also by providing external support and stability.

患者が回復するとき、または、進行性疾患の場合は患者の健康の悪化の前に、デバイスによって提供される補助は、所与のアクティブ補助デバイスのために可能なフルパワーを要求しないことがある。多くの場合、特定の肢は、まったく補助されることを必要としないか、または存分に補助されることを必要としない。特に、例えば事故から回復する患者のトレーニングセッション中、補助を段階的に減少させ、または補助全体を0に低減させることが役立ち得る。しかし、これは、標準的なウェアラブルアクティブ補助デバイスでは困難である。 The assistance provided by the device may not require the full power possible for a given active auxiliary device when the patient recovers or, in the case of progressive disease, before the deterioration of the patient's health. .. In many cases, a particular limb does not need to be assisted at all or fully assisted. In particular, it may be helpful to phase out assistance or reduce overall assistance to zero, for example during a training session for a patient recovering from an accident. However, this is difficult with standard wearable active auxiliary devices.

資料「Smart Suit for Horse Trainers−Power and Skill Assist Based on Semi−active Assist and Energy Control」,International Conference on Advanced Intelligent Mechatronics, Montreal, Canada, July 6―9, 2010,T. Kusaka et al.,inspect accession number 11 769922では、弾性材料によって生成される力が弾性材料の張りまたはオフセットを調節することによって制御されるパワー補助システムが提案されている。ユーザの運動と補助力とを同期することが提案されており、そのために、定期的な入力制御方法を適用することが提案されており、そのような入力制御方法では、定期的な運動は、馬のような運動で変化し、弾性材料の長さは、馬のような運動の期間と同期するように調節され、適切な補助を取得する。 Documents "Smart Suit for Horse Trainers-Power and Skill Assist Based on Semiconductor on Semi-active Assist and Energy Control", International Convention, Tennary, Canada, International, Canada, 10 Kusaka et al. , Inject action number 11 769922 proposes a power assisting system in which the force generated by an elastic material is controlled by adjusting the tension or offset of the elastic material. It has been proposed to synchronize the user's exercise with assistive force, and for that purpose, it has been proposed to apply a periodic input control method, in such an input control method, the periodic exercise is It changes with horse-like exercise, and the length of the elastic material is adjusted to synchronize with the duration of horse-like exercise to obtain appropriate assistance.

US2018/0078391号は、入力としてユーザの筋電位(EMG)データおよびモーションデータを要求する推定された関節トルクに基づく歩行補助を説明している。異なる推定された関節トルクに基づいて、デバイスのパラメータが、ロコモーションのために設定され、ロコモーションは、特に、人間の身体によって生成される関節のトルクを模倣する。DE 10 2012 219 429 A1から公知であるデバイスは、アクチュエータの残存エネルギーを測定することによって制御され、残量検出器と共に用いられて、補助度を決定する。 US 2018/0078391 describes walking assistance based on estimated joint torque that requires the user's myoelectric potential (EMG) and motion data as inputs. Based on different estimated joint torques, device parameters are set for locomotion, which mimics joint torques produced by the human body in particular. Devices known from DE 10 2012 219 429 A1 are controlled by measuring the residual energy of the actuator and used in conjunction with the residual detector to determine the degree of assistance.

WO2018/122106号から、ソフトウェアラブル筋肉補助デバイスが公知であり、このデバイスでは、制御信号が提供されるDCモータを用いて、テンドンが、長さおよび位置に対して短くさせられもしくは長くさせられ、または維持される。コントローラは、アレイ、または複数のモーションおよび力のセンサを用い得、これらのアレイまたはセンサは、ユーザの姿勢および/または運動の意図もしくは現在の運動を推定する態様で用いられ得る。この情報に基づいて、装置のコントローラは、例えば付与される力および関節の硬さを変えることによって、ユーザの運動をどのように最適にサポートするかを決定し得る。センサ装備は、脚の運動量を測定するための脚の脛部および大腿部にある慣性測定ユニットと、腕の運動量を測定するための腕の慣性測定ユニットと、胴の運動を測定するための身体の重心の慣性測定ユニットとを含み得ることが提案されている。力を測定するために、ロードセルが各々のテンドンに配置されることも提案されている。モータ内のエンコーダが、アクチュエータのモータシャフトの回転位置を継続的に測定し、それによってテンドンの長さを推定することが提案されている。ロードセルおよびエンコーダの組み合わせ、および/またはエンコーダの信号のみが、システムにおける硬さおよび/または力のレベルの確実な制御を可能とすることが述べられている。モータが重力の影響と等しい力を付与し、関節の硬さを変えることも述べられている。 From WO2018 / 122106, a softwareable muscle assist device is known, in which the tendon is shortened or lengthened relative to length and position using a DC motor to which a control signal is provided. Or be maintained. The controller may use arrays, or sensors for multiple motions and forces, and these arrays or sensors may be used in embodiments that estimate the user's posture and / or motion intent or current motion. Based on this information, the controller of the device may determine how to optimally support the user's movement, for example by varying the applied force and joint stiffness. The sensor equipment includes an inertial measuring unit on the shin and thigh of the leg for measuring the momentum of the leg, an inertial measuring unit for the arm for measuring the momentum of the arm, and an inertial measuring unit for measuring the movement of the torso. It has been proposed that it may include an inertial measuring unit of the body's center of gravity. It has also been proposed that load cells be placed in each tendon to measure force. It has been proposed that an encoder in the motor continuously measures the rotational position of the motor shaft of the actuator, thereby estimating the length of the tendon. It is stated that only the load cell and encoder combination and / or the encoder signal allows reliable control of the hardness and / or force level in the system. It is also stated that the motor applies a force equal to the effect of gravity and changes the hardness of the joint.

WO/2016/089466号、WO/2015/157731号およびWO/2018/039354号から公知であるウェアラブルアクティブデバイスは、補助力を提供するためのケーブルに頼っており、極小の補助を提供することも着用者の運動にぴったりと追従することもできない。力が必要とされないとき、これらのデバイスは、ユーザが拘束なく全範囲のモーションを実行することを可能とするように、力伝達ケーブルにおいて十分なたるみが存在するモードに切り替える。したがって、これらのシステムは、まず過剰なたるみを克服する必要があるので、予期せず必要とされるときに、即座に力を伝達することができない。このことは、これらのシステムの帯域を有意に低減させるだけでなく、力伝達のスムーズな開始も可能としない。さらに、この原理は、十分なたるみを生成するために追加のケーブルを能動的に送り出すことをアクチュエータに要求するので、エネルギー非効率でもある。 Wearable active devices known from WO / 2016/089466, WO / 2015/157731 and WO / 2018/039354 rely on cables to provide assistive power and may also provide minimal assistance. It also cannot follow the wearer's movements exactly. When no force is required, these devices switch to a mode in which there is sufficient slack in the force transfer cable to allow the user to perform the full range of motion without restraint. Therefore, these systems must first overcome excessive slack and cannot transmit force immediately when unexpectedly needed. Not only does this significantly reduce the bandwidth of these systems, but it also does not allow for a smooth start of force transfer. In addition, this principle is also energy inefficient as it requires the actuator to actively deliver additional cable to generate sufficient slack.

公知のウェアラブルアクティブ補助デバイスのいくつか、特にWO2018/122106A1号から公知であるソフトウェアラブル筋肉補助デバイスは、ユーザに非常に良い補助を提供する一方で、所望される補助度が、少なくともいくらかの時間にわたって0であるかまたはユーザにとって無視できる場合であっても、肢が補助されまたは複数の肢が補助される度合いの選択を可能とすることが所望され得る。より正確に実際に必要とされるサポートを提供することも、多くのユーザによって賞賛され得る。 Some of the known wearable active assistive devices, in particular the softwareable muscle assistive devices known from WO2018 / 122106A1, provide very good assist to the user, while the desired degree of assist is at least for some time. It may be desired to be able to select the degree to which the limb is assisted or the plurality of limbs are assisted, even if it is 0 or negligible to the user. Providing the support that is actually needed more accurately can also be praised by many users.

米国特許出願公開第2018/0078391号明細書U.S. Patent Application Publication No. 2018/0078391 国際公開2018/122106号International Publication No. 2018/122106

Smart Suit for Horse Trainers−Power and Skill Assist Based on Semi−active Assist and Energy Control」,International Conference on Advanced Intelligent Mechatronics, Montreal, Canada, July 6―9, 2010,T. Kusaka et al.,inspect accession number 11 769922Smart Suit for Horse Trainers-Power and Skill Assist Based on Semi-active Assist and Energy Control ”, International Convention 20 Kusaka et al. , Inject access number number 11 769922

本発明の目的は、産業的用途のための新規のものを提供することである。 An object of the present invention is to provide a novel one for industrial use.

この目的が、独立請求項の主題によって達成される。好ましい実施形態のいくつかが、従属請求項において請求される。 This object is achieved by the subject matter of the independent claims. Some of the preferred embodiments are claimed in the dependent claims.

本発明の第1の基本的なアイデアによると、モータと制御装置とを備えるウェアラブルアクティブ補助デバイスであって、モータは、使用時に肢補助を提供するように作動可能であり、モータによって伸縮させられる少なくとも1つの力伝達要素を介して能動的に補助されるように肢に結合され、制御装置は、複数のセンサからの信号のための入力と、複数の信号からの入力信号を処理するための信号処理ステージと、処理されたセンサ信号にしたがってモータ作動信号を出力するための出力ステージとを有するウェアラブルアクティブ補助デバイスは、制御装置が、肢補助度を選択するための肢補助度選択入力をさらに有することと、信号プロセッサステージが、複数のセンサによって現在検出されている運動に対応して、伸縮させられる少なくとも1つの力伝達要素の伸長をモデル化し、伸縮させられる少なくとも1つの力伝達要素の現在のモデル化された伸長にしたがって、かつ選択された最小肢補助度に応答して、モータ作動信号を出力するように適応させられることとが提案される。 According to the first basic idea of the present invention, it is a wearable active auxiliary device including a motor and a control device, in which the motor can be operated to provide limb assistance during use and can be expanded and contracted by the motor. Coupled to the limbs to be actively assisted via at least one force transfer element, the controller is for processing inputs for signals from multiple sensors and input signals from multiple signals. A wearable active auxiliary device having a signal processing stage and an output stage for outputting a motor activation signal according to the processed sensor signal further provides a limb assist degree selection input for the controller to select the limb assist degree. Having and the signal processor stage models the elongation of at least one force transfer element that can be expanded and contracted in response to the motion currently detected by multiple sensors, and the current state of at least one force transfer element that can be expanded and contracted. It is proposed that it be adapted to output a motor actuation signal according to the modeled extension of and in response to the selected minimum limb assist.

つまり、ウェアラブルアクティブ補助デバイスは、力伝達要素の伸長が複数のセンサ信号に基づいて導出されるモデルにしたがって確実に制御されるような態様で通常肢を補助するモータを作動させることによって、0に近い肢補助であり得る選択可能な最小補助度を有するように提案される。これは、テンドンからアクチュエータ、モータおよび同様のものを結合解除することなく最小補助を選択することを可能とする。特に、最小肢補助度は、ウェアラブルアクティブ補助デバイスを着用するユーザ自身によってではなく、身体的療法士、理学療法士、医者等によって、特に患者が気付くことさえなく選択されることが可能である。モータは、事実上のサポートが提供されない場合でさえ、少なくとも1つの力伝達要素を伸縮させ続けるので、モータを聞くユーザは、サポートされている印象を有する。 That is, the wearable active auxiliary device is reduced to zero by activating a motor that assists the normal limb in such a manner that the extension of the force transfer element is reliably controlled according to a model derived based on multiple sensor signals. It is proposed to have a selectable minimum degree of assistance that can be close limb assistance. This makes it possible to select the minimum aid from the tendon without disconnecting the actuators, motors and the like. In particular, the minimum limb assist level can be selected by a physical therapist, physiotherapist, doctor, etc., not even by the user himself, who wears the wearable active assist device, without even being noticed by the patient. The user who hears the motor has the impression that it is supported, as the motor continues to expand and contract at least one force transfer element even if no de facto support is provided.

したがって、ウェアラブルアクティブ補助デバイスのプラシーボ効果は、特に患者が彼(または彼女)自身の筋肉への信頼を再構築する必要がある場合に、容易にテストされ得る。さらに、理学療法士または同様のものの期待にもかかわらず、特定の運動のために補助が依然として提供されなければならないことが判明した場合、伸長をモデル化することによって、かつ少なくとも1つの力伝達要素を伸縮させることによって、補助が即座に利用可能であり得、かつ利用可能とされる。本発明の目的のために、肢補助度選択入力は、ユニットがオンに切り替えられることによって少なくとも2つの異なるサポートの度合いが選択可能であるように適応させられ、最小肢補助度は、この最小の度合いが0補助に対応する場合でさえ、これらの選択可能な度合いのうちの1つであることが留意されるべきである。 Therefore, the placebo effect of a wearable active assistive device can be easily tested, especially if the patient needs to regain confidence in his (or her) own muscles. In addition, if it turns out that assistance must still be provided for a particular exercise, despite the expectations of a physiotherapist or similar, by modeling elongation and at least one force transmission element. By stretching and contracting, assistance can and is made available immediately. For the purposes of the present invention, the limb assist degree selection input is adapted so that at least two different degrees of support can be selected by switching the unit on, and the minimum limb aid degree is this minimum. It should be noted that the degree corresponds to one of these selectable degrees, even if it corresponds to a zero auxiliary.

異なる補助度は、好ましい実施形態では、人間の身体の両側のために選択され得、例えば、左脚への補助が右脚への補助とは異なることが留意される。別個のアクチュエータが身体の同一の側において肢を補助するために用いられる場合、各肢のために異なる補助度を選択することが可能であり、有利であり得る。モータ作動信号の出力は、例えば補助される肢の屈曲状態または曲げ状態である現在の姿勢を示す特定の信号を単に参照することによってモデル化され得、力伝達要素は、補助される肢の1つより多くの関節を横断してモータへ伸びており、例えば1つの電気モータによる同時の補助は、適切に導かれる力伝達要素によって頸部、大腿部および尻に提供されるべきであるので、関節の角度、それぞれの要素の向きを測定するセンサ信号にのみ依存して、例えば、大腿部が鉛直であるか、水平であるか、または中間の位置であるか等を判断することが可能であることが留意される。特定の肢のために最小補助、好ましくは0補助を現在要求している人が、歩行、階段を登ること等の特定のパターンにしたがって動いているかどうかを決定することは必要ではない。 It is noted that different degrees of assistance may be selected for both sides of the human body in a preferred embodiment, eg, assistance to the left leg is different from assistance to the right leg. If separate actuators are used to assist the limbs on the same side of the body, it is possible and advantageous to select different degrees of assistance for each limb. The output of the motor actuation signal can be modeled, for example, by simply referring to a particular signal indicating the current posture of the assisted limb in flexion or flexion, where the force transfer element is one of the assisted limbs. Since it extends across more than one joint to the motor, for example simultaneous assistance by one electric motor should be provided to the neck, thighs and hips by properly guided force transfer elements. It is possible to determine, for example, whether the thigh is vertical, horizontal, or in an intermediate position, depending only on the angle of the joint, the sensor signal that measures the orientation of each element, and so on. It is noted that it is possible. It is not necessary to determine if a person currently requesting minimal, preferably zero, assistance for a particular limb is moving according to a particular pattern, such as walking or climbing stairs.

したがって、最小肢補助を提供するために次の運動を予測することは、必要でなく、特に有利と考えられもしない。本発明によって提案されるように制御されるモータ作動信号によって作動されるモータによる力伝達要素の伸縮は、予め定義された位置軌道に依存する必要はないが、1または複数の処理されたセンサ信号にしたがって継続的に調整され得、かつ好ましく、それによって、遂行される運動または姿勢に関係なく、最小肢補助が継続的に提供され得る。 Therefore, it is not necessary and not considered particularly advantageous to predict the next exercise to provide minimal limb assistance. The expansion and contraction of the force transmission element by the motor operated by the motor actuation signal controlled as proposed by the present invention does not have to depend on a predefined position trajectory, but one or more processed sensor signals. According to, and preferably, minimal limb assistance can be continuously provided regardless of the exercise or posture performed.

それでもなお、ユーザが次に動く様子を予測することなくユーザの現在の挙動を緊密に一致させる少なくとも1つの力伝達要素の伸縮を有することが可能である。予測される運動パターンに依存せず、複数のセンサから現在感知されている信号にのみ依存することは非常に有利である。 Nevertheless, it is possible to have at least one force transfer element stretch that closely matches the user's current behavior without predicting how the user will move next. It is very advantageous to rely only on the signals currently perceived by multiple sensors, not on the predicted motion pattern.

それでもなお、最小肢補助度が提供される透過モードでウェアラブルアクティブ補助デバイスを用いている間でさえ、現在の運動は、ユーザの現在の運動のフェーズと共に依然として識別され得ることが留意されるべきである。このようにして、例えばユーザが現在の状況に対処できない印象を有することかまたは実際の努力がユーザにとって大きすぎることにしばしば起因し得る致命的なレベルを上回ってユーザの血圧または心拍数が増加することが検出されるので、補助を突然要求するユーザを遅延なくかつ悪影響なく即座に補助することが可能である。 Nevertheless, it should be noted that the current exercise can still be identified along with the user's current exercise phase, even while using the wearable active assist device in transmission mode, which provides minimal limb assistance. be. In this way, the user's blood pressure or heart rate increases above a lethal level that can often result, for example, that the user has the impression that he / she is unable to cope with the current situation or that the actual effort is too great for the user. Therefore, it is possible to immediately assist a user who suddenly requests assistance without delay and without adverse effects.

また、加速度センサおよび/または角速度センサは、ユーザが転倒する態様で動くことを開始することと、転倒が防止されなければならないこととを示し得る。そのような場合、システムが最小肢補助度状態である間の力伝達要素の実際の伸縮が、そのようなパターンに依存しない場合であっても、現在の運動パターンを検出することが役立ち得る。制御装置が、ハードウェア実装フィルタまたは同様のもの等のハードウェアステージを用いて実装され得ること、または、代替として、制御装置がソフトウェアステージとして実装され得るように、センサ信号が条件付けられデジタル化され得ることが留意される。既存のアクティブ補助デバイス内の追加の(ソフトウェア)モジュールとして制御装置を含み、特にそのようなデバイスが適切なセンサ信号をすぐに提供することが可能である。 Also, the accelerometer and / or the angular velocity sensor may indicate that the user begins to move in a fall mode and that the fall must be prevented. In such cases, it may be helpful to detect the current movement pattern, even if the actual expansion and contraction of the force-transmitting element while the system is in the minimal limb assist state is independent of such patterns. Sensor signals are conditioned and digitized so that the controller can be mounted using a hardware stage such as a hardware mounting filter or the like, or, as an alternative, the controller can be mounted as a software stage. It is noted to get. It includes a controller as an additional (software) module within an existing active auxiliary device, and in particular such a device is capable of immediately providing the appropriate sensor signal.

好ましい実施形態では、複数のセンサは、ジャイロセンサおよび/または加速度センサおよび/または磁気センサおよび/または伸縮性センサおよび/または運動センサおよび/または角度センサを備える。(多軸、特に三軸の加速度センサ、ジャイロセンサおよび磁気センサが、肢および肢のセグメントの現在の向きを決定することにおいて特に有用である。また、関節の近位および遠位の両側に複数のジャイロセンサおよび/または加速度センサを提供することは、関節の角度を決定すること、または少なくともこれを推定することを可能とする。同じことが、地球の磁界の向きを決定することを可能とする磁気センサに当てはまる。前述のセンサ、ならびに、バッファ、増幅器、A/D変換器および同様のもの等の関連する信号処理回路は、予測可能な態様で温度等の周囲の条件を変化させることによって影響を及ぼされ得ることが留意されるべきである。したがって、特定の実施形態では、温度センサ、気圧センサ等の追加のアンビエントセンサを有することと、追加のアンビエントセンサから導出される信号に応答して、ジャイロセンサおよび/または加速度センサおよび/または磁気センサおよび/または伸張性センサ、ならびに関連する回路の潜在的変動を補正することとが好まれ得る。 In a preferred embodiment, the plurality of sensors comprises a gyro sensor and / or an accelerometer and / or a magnetic sensor and / or a stretch sensor and / or a motion sensor and / or an angle sensor. (Multi-axis, especially triaxial accelerometers, gyro sensors and magnetic sensors are particularly useful in determining the current orientation of limbs and limb segments, and multiple on both proximal and distal sides of the joint. Providing a gyro sensor and / or an accelerometer makes it possible to determine the angle of a joint, or at least estimate it. The same can determine the direction of the Earth's magnetic field. Applies to magnetic sensors as described above, as well as related signal processing circuits such as buffers, amplifiers, A / D converters and the like, by varying ambient conditions such as temperature in a predictable manner. It should be noted that it can be affected. Therefore, in certain embodiments, having an additional ambient sensor, such as a temperature sensor, a pressure sensor, etc., and responding to signals derived from the additional ambient sensor. It may be preferred to compensate for potential variations in gyro sensors and / or accelerometers and / or magnetic sensors and / or extensibility sensors, as well as associated circuits.

関節の角度を決定するための専用の角度センサ等の他のセンサが用いられ得ることが留意される。明示的に列挙されていない運動センサおよび/または角度センサが使用可能であるが、伸張性センサ、ならびに/または、新規のセンサおよび/もしくは他の公知のセンサ等の将来のセンサが使用可能であることが予見され得る。しかし、力伝達要素における張力を測定するために力センサ(例えば、ひずみゲージおよび同様のもの)が要求されない場合は、このことが配列を簡素化し、コストを低減させるので、特に有利である。ひずみゲージが力伝達要素に取り付けられずとも、本発明にしたがったウェアラブルアクティブ補助デバイスの反応は非常に高速であり得ることが留意されるべきである。 It is noted that other sensors, such as a dedicated angle sensor for determining the angle of the joint, may be used. Motion sensors and / or angle sensors not explicitly listed are available, but stretchable sensors and / or future sensors such as new sensors and / or other known sensors are available. Can be foreseen. However, if a force sensor (eg, a strain gauge and the like) is not required to measure the tension in the force transfer element, this is particularly advantageous as it simplifies the arrangement and reduces costs. It should be noted that the reaction of the wearable active auxiliary device according to the present invention can be very fast even if the strain gauge is not attached to the force transfer element.

好ましい実施形態では、アクティブ補助デバイスは、1または複数の肢、特に人間の身体の少なくとも1つの脚の活動を補助するように適応させられる。制御信号を提供するために、1つの脚のみからの制御信号に依存することが可能である。しかし、両脚からの信号を用いることが好まれ得る。例えば、ユーザが転倒し始めた場合、高い加速度が予期され、概して、これらは、いずれの既知の典型的な挙動または運動に割り当てることができない。したがって、両側からの信号に依存することは、0または最小の補助フェーズが即座に終了させられることを必要とすることをシステムがより速く決定することを可能とする。 In a preferred embodiment, the active assistive device is adapted to assist the activity of one or more limbs, in particular at least one leg of the human body. It is possible to rely on control signals from only one leg to provide control signals. However, it may be preferred to use signals from both legs. For example, if the user begins to fall, high accelerations are expected and, in general, these cannot be assigned to any known typical behavior or motion. Therefore, relying on signals from both sides allows the system to determine faster that the zero or minimum auxiliary phase needs to be terminated immediately.

好ましい実施形態では、上で示されるように、制御装置は、力伝達要素における力および/または張力の測定値を示す任意の力表示信号または張力表示信号から独立して、特にロードセルセンサ測定値信号から独立して、力伝達要素の伸長をモデル化するように適応させられる。そのような力または張力が任意の方法で測定される場合、対応する信号を透過モードでも用いることが可能であり得ることが理解される。しかし、ほとんどの用途において、そのような力表示信号または張力表示信号は、実際にはいずれも必要とされず、そのような対応するセンサ信号が提供されることを必要としない場合、それらは、透過モードを実装するためだけに機能し得るので、利点とみなされ得る。したがって、そのような力センサまたは張力センサが透過モードで用いられ得る一方で、それらのセンサが追加の機能性を実装するために重要とみなされない場合、それらのセンサは必要とされないことも理解される。 In a preferred embodiment, as shown above, the controller is independent of any force or tension display signal indicating a force and / or tension measurement in the force transfer element, especially the load cell sensor measurement signal. Independent of, adapted to model the elongation of the force transfer element. It is understood that if such force or tension is measured in any way, the corresponding signal can also be used in transmission mode. However, in most applications, if neither such force or tension indication signal is actually required and no such corresponding sensor signal is required, they are not required. It can be considered an advantage as it can only function to implement a transparent mode. Therefore, it is also understood that while such force or tension sensors can be used in transmission mode, they are not needed if they are not considered important for implementing additional functionality. To.

さらに好ましい実施形態では、力伝達要素自体はほとんど伸張性ではない。つまり、通常の使用中、ユーザが力伝達要素に加え得る力は、力伝達要素の大きな伸張を可能とするためには適していない。 In a more preferred embodiment, the force transfer element itself is largely non-extensible. That is, the force that the user can exert on the force transmitting element during normal use is not suitable for allowing large extension of the force transmitting element.

ここで、上で示されたように、本発明によるウェアラブルアクティブ補助デバイスは、モータを作動させることによる力伝達要素の現在必要とされる伸長の評価のためのモジュールに依存する。この文脈では、ケーブルが力伝達要素に対応する場合、ケーブルの紆曲の解消および紆曲の開始が、力伝達要素を伸縮させるとみなされることが留意されるべきである。 Here, as shown above, the wearable active auxiliary device according to the invention relies on a module for assessing the currently required elongation of the force transfer element by actuating the motor. In this context, it should be noted that if the cable corresponds to a force transfer element, the elimination of the cable's twist and the start of the twist are considered to stretch the force transfer element.

サイズ、肢の長さ、脚の周囲の長さおよび同様のもの等の身体的パラメータが周知である場合、伸長の基本的なモデル化がほとんど精密であることが理解される。 If physical parameters such as size, limb length, perimeter of the leg and the like are known, it is understood that the basic modeling of elongation is almost precise.

しかし、ユーザが非常に精密に測定されることは、時間を要し、特に理学療法士等の時間を要し、本発明によるウェアラブルアクティブ補助デバイスを用いるコスト全体を増加させるので、ユーザが非常に精密には測定される必要がないことの必要性または少なくともそのような望みがしばしば存在する。 However, it is very time consuming for the user to be measured very precisely, especially for physiotherapists and the like, which increases the overall cost of using the wearable active auxiliary device according to the present invention. There is often a need or at least such a desire that it does not need to be precisely measured.

したがって、ウェアラブルアクティブ補助デバイスが、各々の単一のユーザに関する専用身体的パラメータを概して正確に決定することなく用いられ得ることを可能とすることが非常に好ましい。したがって、さらに好ましい実施形態では、肢とモータとの間で、復元性要素は、伸縮させられる力伝達要素に直列で提供される。そのような復元性要素(例えば、コイルばね)を用いることは、現在必要とされる力伝達要素の伸縮の決定における小さな誤差が、ユーザに検出されないままでことを可能とする。 Therefore, it is highly preferred to allow wearable active auxiliary devices to be used without generally accurately determining dedicated physical parameters for each single user. Therefore, in a more preferred embodiment, the restorative element is provided in series with the stretchable force transfer element between the limb and the motor. The use of such restorative elements (eg, coil springs) allows small errors in the currently required expansion and contraction determination of the force transfer element to remain undetected by the user.

好ましい実施形態では、リストリクタが提供され、リストリクタは、復元性要素の伸長を限定または拘束し(例えば、ばねの伸長を最大可能伸長までに拘束する)、復元性要素のさらなる伸張を可能とすることなくばねまたは他の復元性要素に付与される任意の追加の力を奪うことがさらに好ましい。例えば、特定の長さのコードまたはワイヤがコイルばね内に提供される。コードは、ばねの端部と同一のポイントに取り付けられ得、それによって、リストリクタも、肢と、作動されると肢を補助するために用いられるモータとの間に配置され得る。ばねコイルが伸張されない限りロープがばねコイルより長い場合、力伝達要素に加えられる全ての力(例えば、モデルとユーザとの間の不一致に起因する力)は、ばねの伸張を特定の度合いに導く。 In a preferred embodiment, a restrictor is provided that limits or constrains the elongation of the restorative element (eg, constrains the elongation of the spring to maximum possible elongation), allowing further elongation of the restorative element. It is even more preferred to deprive the spring or other restorative element of any additional force applied without it. For example, a cord or wire of a particular length is provided within the coil spring. The cord can be attached at the same point as the end of the spring, whereby the restrictor can also be placed between the limb and the motor used to assist the limb when actuated. If the rope is longer than the spring coil unless the spring coil is stretched, then any force applied to the force transfer element (eg, the force due to the discrepancy between the model and the user) will lead the spring stretch to a certain degree. ..

ばねの伸張が低いままである間、力はリストリクタによって奪われない。しかし、ばねが可能とされる最大まで伸張させられると、任意の追加の力がリストリクタによって奪われ、それによって復元性ばねのさらなる伸張を可能としない。つまり、リストリクタは、特に実際のサポートまたは補助が提供される場合に可能とされる特定の最大値までに伸長を拘束する。復元性ばね要素の適切な最大可能伸長と、適した復元係数とを適当に選択することによって、モデルと、特定のユーザのために実際に必要とされる伸張との間の任意のずれが、実際の補助中に本ウェアラブルアクティブ補助デバイスの意図される挙動に影響を与えることも、透過モード中にデバイスが感知可能であるようにすることもないように配慮され得る。 The force is not deprived by the restrictor while the spring extension remains low. However, when the spring is stretched to the maximum possible, any additional force is deprived by the restrictor, thereby not allowing further stretching of the restorative spring. That is, the restrictor constrains the elongation to a certain maximum possible, especially if actual support or assistance is provided. By properly selecting the appropriate maximum possible elongation of the stability spring element and the appropriate resilience factor, any deviation between the model and the extension actually required for a particular user can be determined. Care may be taken not to affect the intended behavior of the wearable active auxiliary device during actual assistance or to make the device sensible during transmission mode.

好ましい実施形態では、復元性要素は、選択された最小肢補助度において許容される最大残留力のために、復元性要素が、標準化されたモデルと所与のユーザのための正しい伸張との間の最大限可能とされるずれ以下だけ伸長されるような復元係数を有する。この文脈において、ユーザの非常に精密な測定を行う必要はないが、復元性および最大可能長さの両方において異なる複数の復元性要素を提供することが可能であり好ましいことが明らかである。典型的な状況では、最大限可能とされるずれは、数センチメートル(例えば3〜7cm)であり得る。この距離は、標準化されたモータ速さで与えられる肢補助の緊急的変化の場合であっても、容易に克服され得る。これらの好ましい最大可能長さは、ひいては、ユーザによってほとんど検出不可能なモデルとの不一致の場合、復元性要素の伸張に起因する残留力を可能とし、不一致がほとんどまたは全時間検出されないままであることを確実にする。 In a preferred embodiment, the stability factor is between the standardized model and the correct stretch for a given user because of the maximum residual force allowed at the selected minimum limb assist. It has a stability factor that is extended by less than or equal to the maximum possible deviation of. In this context, it is not necessary to make very precise measurements of the user, but it is clear that it is possible and preferable to provide multiple resilience elements that differ in both resiliency and maximum possible length. In typical situations, the maximum possible deviation can be a few centimeters (eg 3-7 cm). This distance can be easily overcome even in the case of urgent changes in limb assistance given at standardized motor speeds. These preferred maximum possible lengths, in turn, allow residual forces due to the elongation of the restorative element in the event of a discrepancy with a model that is almost undetectable by the user, leaving the discrepancy almost or full time undetectable. Make sure that.

上で示されるように、識別された現在の運動におけるフェーズを決定し、モデル化された伸長に応答してモータ作動信号を出力することが可能である。実際の伸張を予測することが可能であり得るが、しかし、本発明によるウェアラブルアクティブ補助デバイスによって提供される透過モードについては、作動プロファイルが予め定義されないので、例えば歩くフェーズの知識は必要とされず、システムは正確な歩く周期に依存しないことが留意されるべきである。特に、特定の歩くフェーズに依存する代わりに、膝角度等に依存する連続的力調整等の他のパラメータが用いられ得る。 As shown above, it is possible to determine the phase in the identified current motion and output the motor actuation signal in response to the modeled elongation. Although it may be possible to predict the actual stretch, however, the transmission mode provided by the wearable active auxiliary device according to the invention does not require knowledge of the walking phase, for example, as the actuation profile is not predefined. It should be noted that the system does not depend on the exact walking cycle. In particular, instead of relying on a particular walking phase, other parameters such as continuous force adjustment depending on knee angle and the like may be used.

しかし、それでもなお、制御装置は、歩行、立っていること、上り坂または下り坂の歩行、階段の昇降、座位移行等の特定の活動を識別するように適応させられ得る。上で示されるように、透過モードの制御自体が、精密な現在の活動の決定に依存する必要がない場合であっても、デバイスの安全性が増加させられ得る。 However, the controller can nevertheless be adapted to identify specific activities such as walking, standing, walking up or downhill, climbing stairs, shifting to a sitting position, and the like. As shown above, device safety can be increased even if the transmission mode control itself does not have to rely on precise current activity decisions.

透過モードにおける作動が、運動のいくつかの識別されたモードに対応する任意の予め定義された作動プロファイルに依存しない場合であっても、制御装置は、特定の活動を識別するだけでなく、透過モードにおいて存在する連続的力調整作動を、検出された活動の特定のステージにおいて要求される予め定義された作動プロファイルと組み合わせて、所望されるときに連続的力調整補助と予め定義された作動プロファイルとの間で切り替わるように適応させられ得る。 The controller not only identifies a particular activity, but also permeates, even if the actuation in the permeation mode does not depend on any predefined actuation profile corresponding to some identified mode of motion. The continuous force adjustment operation present in the mode is combined with the predefined operation profile required at a particular stage of the detected activity to provide continuous force adjustment assistance and a predefined operation profile when desired. Can be adapted to switch between.

好ましい実施形態では、最小補助度は、残留力が肢において30Nより小さいままであるように、好ましくは肢において20Nより小さいままであるように、特に肢において10Nより小さいままであるように選択され得る。しかし、通常、残留力はそれでもなお運動の少なくとも一部の間0.5Nより大きく、特に1Nより大きく、特に0.5Nと5Nとの間であり、特に周期的運動の50%であり、好ましくは周期的運動の少なくとも66%であり、特に好ましくは周期的運動の少なくとも3/4である。 In a preferred embodiment, the minimum assist is selected so that the residual force remains less than 30 N in the limb, preferably less than 20 N in the limb, especially less than 10 N in the limb. obtain. However, usually the residual force is still greater than 0.5N, especially greater than 1N, especially between 0.5N and 5N for at least a portion of the exercise, particularly 50% of the periodic exercise, preferably. Is at least 66% of the periodic movement, particularly preferably at least 3/4 of the periodic movement.

他の機構が用いられ得るが、最も好ましい実施形態では、少なくとも1つの力伝達要素は、ステップモータまたはブラシレスモータ等の電気モータを用いてその伸長が巻かれまたは巻き戻されるケーブルまたはロープ等のテンドンである。モータは、特に、ブラシレスモータであり得、ブラシレスモータは、補助が必要とされるときに、容易に制御され、補助される肢に十分高いトルクを提供し得るので、ブラシレスモータが特に好ましい。好ましい実施形態では、力伝達要素は、たるみシース内で導かれる。つまり、力伝達要素は、ボーデンケーブルまたは同様のものである必要はなく、そのため、ウェアラブルアクティブ補助デバイスの全体の構築が簡素化される。 Other mechanisms may be used, but in the most preferred embodiment, at least one force transfer element is a tendon such as a cable or rope whose extension is wound or unwound using an electric motor such as a step motor or brushless motor. Is. The motor can be a brushless motor in particular, and the brushless motor is particularly preferred because it can be easily controlled and provide sufficiently high torque to the assisted limb when assistance is needed. In a preferred embodiment, the force transfer element is guided within the sagging sheath. That is, the force transfer element does not have to be a Bowden cable or similar, which simplifies the overall construction of the wearable active auxiliary device.

基本的に、制御装置は、選択された最小補助度から最小補助度より高い補助度への移行中、10cm以下、好ましくは7cm以下、特に好ましくは5cm以下の力伝達要素のたるみが、ユーザに知覚可能な補助を提供する前に巻き取られることによって克服されることを必要とするように、伸長をモデル化するように適応させられることが留意される。 Basically, the control device provides the user with slack in the force transfer element of 10 cm or less, preferably 7 cm or less, particularly preferably 5 cm or less, during the transition from the selected minimum aid to a higher assist. It is noted that it is adapted to model elongation so that it needs to be overcome by being rolled up before it provides perceptible assistance.

モデルがモデル化のための「平均的なユーザ」に依存するので、システムにいくらかのたるみが存在する場合であっても、復元性要素は、小さい誤差に通常関連するモデルの誤差を一様にする。したがって、好ましい実施形態では、複数のパラメータを用いる特定のサイズが、システムに入力される必要はない。 Since the model depends on the "average user" for modeling, the resiliency factor uniformly causes the model's error, which is usually associated with small errors, even if there is some slack in the system. do. Therefore, in a preferred embodiment, a particular size with multiple parameters does not need to be entered into the system.

好ましい実施形態では、力伝達要素が1つより多い関節を超えて伸張するように力伝達要素を導くことが有用であり得る。このようにして、(周期的)運動のうちの多くの部分にわたって力が付与され得る。制御装置が、伸縮させられる少なくとも1つの力伝達要素の伸長をモデル化するように適応させられる場合、現在必要とされている実際のサイズだけでなく、摩擦も考慮に入れることが非常に好ましい。 In a preferred embodiment, it may be useful to guide the force transfer element so that it extends beyond one or more joints. In this way, forces can be applied over many parts of the (periodic) movement. If the controller is adapted to model the elongation of at least one force transmitting element to be stretched, it is highly preferred to take into account friction as well as the actual size currently required.

好ましい実施形態では、可変アクティブ補助デバイスは、ユーザが着用する必要がある複数の衣類様の要素等を(アクティブ補助を確実に提供するために)備えていなければならないことが考慮に入れられる。通常の衣服に比べ、そのような衣類様の要素は、現在、依然として従来の衣服より有意に硬く、より高い重量も有している。そのようなウェアラブル補助デバイスで動くとき、衣類様の要素等によって引き起こされる追加の摩擦が克服される必要があり、人間の身体の一部を加速させるとき、しばしば、肢に0の力を提供することだけでは不十分である。むしろ、特定の場合、ユーザは、補助スーツを着用することによって全く影響を受けないことが好ましい。よって、補助が0である真の透過モードでは、「負の」補助を防止することも所望され、それによって摩擦および慣性等の効果は、ユーザに影響を与えない。そのため、これらの効果が補償されるべきである。 In a preferred embodiment, it is taken into account that the variable active assist device must be equipped with a plurality of clothing-like elements and the like that the user needs to wear (to ensure that active assist is provided). Compared to regular garments, such garment-like elements are still significantly harder and also have a higher weight than conventional garments. When moving with such wearable auxiliary devices, the additional friction caused by clothing-like elements etc. needs to be overcome and often provides zero force to the limbs when accelerating parts of the human body. That alone is not enough. Rather, in certain cases, it is preferred that the user is completely unaffected by wearing an auxiliary suit. Thus, in true transmission mode with zero assist, it is also desired to prevent "negative" assist, whereby effects such as friction and inertia do not affect the user. Therefore, these effects should be compensated.

ウェアラブルアクティブ補助デバイスの好ましい実施形態では、補助中のトルクが一方向にのみ能動的に付与される場合であっても、関節等を安定化することを助ける拮抗受動要素が存在し得る。この場合、透過モードにおいて、拮抗受動要素は対抗される必要もある。そのような場合、任意の肢補助は、関節の残留安定化からだけでなく、能動的に力を与える運動からも生じ、それによって、いくらかの補助が依然として提供される。 In a preferred embodiment of a wearable active assist device, there may be antagonistic passive elements that help stabilize joints and the like, even when the torque being assisted is actively applied in only one direction. In this case, in transmission mode, the antagonistic passive element also needs to be countered. In such cases, any limb assistance arises not only from residual stabilization of the joint, but also from active empowering exercise, which still provides some assistance.

コントローラによって実装されまたは用いられる任意のモデルは、アクティブ補助デバイスを着用するユーザの組織コンプライアンスおよび/または身体形状がモデルの一部として考慮に入れられるように設計され得ることが留意される。つまり、好ましくは、ユーザ自身が、着用されているシステムのコントローラの一体的な部分とみなされる。これは、まるで力伝達要素からエネルギーを蓄えかつ/または減衰する、つまり吸収するばね−ダンパーシステムであるかのように人間の身体のコンプライアンスを利用する態様で、コントローラがユーザを補助することを可能とし、それによって制御スキームにおける不安定性を回避し、それによって、制御アクション中の任意の潜在的不安定性を安定化することを助け、要求される場合に、補助の突然の増加を同時に可能とする安全な作動を確実にする。よって、要求される場合に、システムが、突然であるが制御された態様で高いレベルの補助で補助することを可能とする追加のレベルの安全性が達成され得る。 It is noted that any model implemented or used by the controller may be designed to take into account the organizational compliance and / or body shape of the user wearing the active auxiliary device as part of the model. That is, preferably the user himself is considered an integral part of the controller of the system being worn. It allows the controller to assist the user in a manner that utilizes the human body's compliance as if it were a spring-damper system that stores and / or attenuates energy from force transfer elements. And thereby avoiding instability in the control scheme, thereby helping to stabilize any potential instability during the control action and simultaneously allowing a sudden increase in assistance when required. Ensure safe operation. Thus, an additional level of safety may be achieved that allows the system to assist with a high level of assistance in a sudden but controlled manner, if required.

0補助ではない肢補助が本発明のウェアラブルアクティブ補助デバイスによって提供される場合であっても、複数のセンサによって現在検出されている運動または姿勢に対応して、伸縮させられる少なくとも1つの力伝達要素の伸長をモデル化し、伸縮させられる少なくとも1つの力伝達要素の現在のモデル化された伸長にしたがって、かつ選択された肢補助度を考慮に入れてモータ作動信号を出力することが、役立ち得、それ自体に発明性があるとみなされる。つまり、特に可能な最大補助未満の補助度でのアクティブ補助の間、透過モードは、基準として用いられ得、そして、任意の実際の補助が、実際に補助される度合いの肢補助を提供するように少なくとも1つの力伝達要素をさらに伸縮させることによって組み合わされ得る。このことから、透過モードは、少なくとも1つの選択された最小レベルの補助の任意の所与の運動全体にわたって継続的な補助を可能とする他の補助モードと組み合わせられ得ることが理解され得る。 At least one force transmission element that can be expanded or contracted in response to the movement or posture currently detected by multiple sensors, even if non-assisted limb assistance is provided by the wearable active assist device of the invention. It may be useful to model the extension of the motor and output the motor actuation signal according to the current modeled extension of at least one force transmitting element that can be expanded and contracted, and taking into account the selected limb assist degree. It is considered to be inventive in itself. That is, the transmission mode can be used as a reference, especially during active assistance with less than the maximum possible assistance, and any actual assistance may provide the degree of limb assistance that is actually assisted. Can be combined by further stretching and contracting at least one force transmitting element. From this it can be understood that the transmission mode can be combined with other auxiliary modes that allow continuous assistance over any given movement of at least one selected minimum level of assistance.

アクチュエータに言及するとき、電気モータだけが使用可能であるわけではないことが留意されるべきである。例えば、本発明の文脈において、そのようなモータは、液圧式または気圧式でもあり得る。人工筋肉に似ておりかつ人工筋肉の制御を可能とする技術さえも用いられ得る。デバイスは、例えば電気ひずみ、磁気ひずみおよび同様のものも利用し得ることが理解されるであろう。 When referring to actuators, it should be noted that not only electric motors are available. For example, in the context of the present invention, such motors can also be hydraulic or barometric. Even techniques that resemble artificial muscles and allow control of artificial muscles can be used. It will be appreciated that devices can utilize, for example, electrical strain, magnetostriction and the like.

モータと制御装置とを有するウェアラブルアクティブ補助デバイスの制御装置についても保護が求められ、モータは、肢補助を提供するように作動可能であり、モータによって伸縮させられる少なくとも1つの力伝達要素を介して能動的に補助される肢に結合され、制御装置は、複数のセンサからの信号のための入力と、信号を処理するための信号処理ステージと、処理されたセンサ信号にしたがってモータ作動信号を出力するための出力ステージとを有し、制御装置は、モデルステージを備え、モデルステージは、センサによって検出されるユーザの現在の運動および/または姿勢と、人間の身体の組織のコンプライアンスと、運動に対抗するウェアラブルアクティブ補助デバイスの慣性および/または摩擦とをともに考慮に入れて、ユーザによって感知可能な閾値以下の補助を保つ態様で少なくとも1つの力伝達要素の伸長をモデル化するように適応させられ、出力ステージは、現在のモデル化された伸長および要求される肢補助にしたがってモータ作動信号を出力するように適応させられる。 Protection is also sought for the control device of the wearable active auxiliary device having the motor and control device, the motor being operable to provide limb assistance, via at least one force transfer element stretched and contracted by the motor. Coupled to an actively assisted limb, the controller outputs an input for signals from multiple sensors, a signal processing stage for processing the signals, and a motor activation signal according to the processed sensor signals. It has an output stage for the control device, the model stage is equipped with a model stage for the user's current movement and / or posture detected by the sensor, and the compliance and movement of the human body tissue. Adapted to model the elongation of at least one force transfer element in a manner that maintains sub-threshold assist perceptible by the user, taking into account both the inertia and / or friction of the opposing wearable active auxiliary device. The output stage is adapted to output a motor actuation signal according to the current modeled extension and required limb assistance.

この制御では、本発明の同一の概略的なアイデアを適用して、支持のレベルを最小に調節することさえなしに、代わりにコンポーネントの慣性および/または摩擦をこれらが補償され得るように考慮に入れることによって、ユーザにほとんど気付かれることのないウェアラブル補助デバイスの影響が取得され得る。このことから、最小補助が要求されない場合であっても、透過モードは、精密性を増加させることにおいて役立ち、所与の量の補助が達せられ得、これは最小(=透過)モードをベースラインとして用いることによって実施され得ることが明らかであろう。理解され得るように、これは、最小補助が要求されない場合であっても、摩擦および/または慣性コンポーネントのうちの少なくとも1つを考慮に入れることによっても、そして開示される概念を提供することによっても実施され得る。 In this control, the same schematic idea of the invention is applied to take into account the inertia and / or friction of the components so that they can be compensated for instead without even adjusting the level of support to a minimum. By including it, the effects of wearable auxiliary devices that are barely noticed by the user can be obtained. From this, even if minimum assistance is not required, transmission mode helps in increasing precision and a given amount of assistance can be reached, which is baseline from minimum (= transmission) mode. It will be clear that it can be carried out by using as. As can be understood, this is done by taking into account at least one of the friction and / or inertial components, even if minimal assistance is not required, and by providing the disclosed concept. Can also be implemented.

本発明が、図面を参照して本明細書中で説明される。 The present invention is described herein with reference to the drawings.

図1は、本発明によるウェアラブルアクティブ補助デバイスの概略図を示す。FIG. 1 shows a schematic view of a wearable active auxiliary device according to the present invention.

図2は、復元性弾性要素としてのばねと、カフスとを示すウェアラブルアクティブ補助デバイスの詳細を示し、復元性弾性要素は、伸縮させられる力伝達要素に直列に設けられ、カフス配列は、肢の周囲に配置されるが、最大可能伸長にばね伸長を拘束するための拘束性を伴う。FIG. 2 shows details of a wearable active auxiliary device showing a spring as a restorative elastic element and a cuff. The restorative elastic element is provided in series with a force transmitting element that can be expanded and contracted, and a cuff arrangement is provided on the limb. Placed around, but with constraints to constrain spring elongation to maximum possible elongation.

図3は、本発明によるウェアラブルアクティブ補助デバイスの制御装置によって用いられるモデルの説明を示す。FIG. 3 shows a description of the model used by the control device of the wearable active auxiliary device according to the present invention.

図4は、本発明によるウェアラブルアクティブ補助デバイスの透過的挙動をモデル化するための概略的なハイレベルブロック図を示す。FIG. 4 shows a schematic high-level block diagram for modeling the transparent behavior of a wearable active auxiliary device according to the present invention.

図5aは、より詳細なモデルコンポーネント、すなわちコンプライアンス補償コンポーネントを示す。FIG. 5a shows a more detailed model component, namely the compliance compensation component.

図5bは、より詳細なモデルコンポーネント、すなわち速度補償コンポーネントを示す。FIG. 5b shows a more detailed model component, namely the speed compensation component.

図5cは、より詳細なモデルコンポーネント、すなわち復元性要素力補償を示す。FIG. 5c shows a more detailed model component, namely Stability Element Force Compensation.

図5dは、より詳細なモデルコンポーネント、すなわち位置補償コンポーネントを示す。FIG. 5d shows a more detailed model component, i.e., a position compensation component.

図6aは、周期的態様で繰り返し強められる様々な力に関する力−テンドン長関係を示す。FIG. 6a shows a force-tendon length relationship for various forces that are repeatedly strengthened in a periodic manner.

図6bは、固定された力および繰り返される力強化に関する力−テンドン長関係をより詳細に示す。テンドン長ではなく回転式アクチュエータのエンコーダカウントが示されることを留意されたい。FIG. 6b shows in more detail the force-tendon length relationship for fixed forces and repeated force enhancements. Note that the encoder count of the rotary actuator is shown instead of the tendon length.

図6cは、周期動作が繰り返された後に取得される平均的挙動と共に、図6の力−テンドン長関係を示す。FIG. 6c shows the force-tendon length relationship of FIG. 6 along with the average behavior obtained after repeated periodic motions.

図6dは、テンドンに付与される力が精密に制御され得ることを示す証明である。FIG. 6d is a proof that the force applied to the tendon can be precisely controlled.

図6eは、様々な姿勢に関する力−テンドン長関係である。FIG. 6e shows the force-tendon length relationship with respect to various postures.

図7は、様々な姿勢における最小サポートおよび/または透過モードのために必要とされる様々なテンドン長を図示する。FIG. 7 illustrates the different tendon lengths required for minimum support and / or transmission mode in different postures.

図8は、低速で動くときに透過モード中に膝モーメントアームに作用する力を示し、透過モード中に最小の力のみが付与されることを示す。FIG. 8 shows the force acting on the knee moment arm during transmission mode when moving at low speed, and shows that only the minimum force is applied during transmission mode.

図1によると、ウェアラブルアクティブ補助デバイス1は、モータ2と、制御装置6とを備え、モータ2は、ユーザ4の肢3に補助を提供するように作動可能でありそのために用いられ、モータによって伸縮させられる少なくとも1つの力伝達要素5を介して肢3に結合され、制御装置6は、複数のセンサ8a、8b、8c、8dからの信号7a、7b、7c、7dのための入力を有し、コントローラは、複数のセンサ8a−8dからの入力信号7a−7dを処理するための信号処理ステージと、処理されたセンサ信号にしたがってモータ作動信号10を出力するための出力ステージ9とを有し、制御装置は、肢補助度を選択するための肢補助度選択入力11をさらに有し、制御装置6の信号プロセッサステージは、センサ8a−8dを用いて現在検出されているユーザの運動に対応して、伸縮させられる少なくとも1つの力伝達要素5の伸長をモデル化し、伸縮させられる少なくとも1つの力伝達要素5の現在のモデル伸長にしたがって、かつ選択された最小肢補助度に応答して、モータ作動信号10を出力するように適応させられる。 According to FIG. 1, the wearable active auxiliary device 1 comprises a motor 2 and a control device 6, which is operable and used to provide assistance to the limb 3 of the user 4 and is used by the motor. Coupled to the limb 3 via at least one stretchable force transfer element 5, the controller 6 has inputs for signals 7a, 7b, 7c, 7d from the plurality of sensors 8a, 8b, 8c, 8d. However, the controller has a signal processing stage for processing the input signals 7a-7d from the plurality of sensors 8a-8d, and an output stage 9 for outputting the motor operation signal 10 according to the processed sensor signals. However, the control device further has a limb assist degree selection input 11 for selecting the limb assist degree, and the signal processor stage of the control device 6 is set to the user's motion currently detected by using the sensors 8a-8d. Correspondingly, the elongation of at least one stretchable force transfer element 5 is modeled and according to the current model stretch of at least one stretchable force transfer element 5 and in response to the selected minimum limb assist. , Adapted to output the motor actuation signal 10.

示される実施形態では、肢補助度が選択され得、本発明によって実装される透過モードが、最小肢補助度として用いられるが、これは必ずしもそうである必要はないことが留意されるべきである。例えばモータ、バッテリ、テンドン等のウェアラブルアクティブ補助デバイスのコンポーネントにおける仕事量を低減させて、デバイスの寿命を増加させるために、概して、補助精密性を保つこと、特に、意図的に最大補助度未満に保つことが可能である。 It should be noted that in the embodiments shown, the degree of limb assistance can be selected and the transmission mode implemented by the present invention is used as the minimum degree of limb assistance, but this does not necessarily have to be the case. .. In order to reduce the workload on the components of wearable active auxiliary devices such as motors, batteries, tendons, etc. and increase the life of the device, generally to maintain auxiliary precision, especially intentionally below the maximum degree of assistance. It is possible to keep.

さらに、そのような場合でさえも、本明細書中で説明される透過モードは、追加の補助が提供される基本伸長開始を定義するために用いられ得るので、透過モードは有用であると考えられ得る。このようにして、例えば周期運動中の全体の補助は、より一定であり得る。そのような場合、ウェアラブルアクティブ補助デバイスは、例えばモータと制御装置とを備え得、モータは、関節補助を提供するように作動可能であり、モータによって伸縮させられる少なくとも1つの力伝達要素を介して能動的に補助されるように関節に結合され、制御装置は、複数のセンサからの入力と、信号を処理するための信号処理ステージと、処理されたセンサ信号にしたがってモータ作動信号を出力するための出力ステージとを有し、制御装置は、モデルステージを備え、モデルステージは、少なくとも1つの力伝達要素の伸長をモデル化するように適応させられ、モデル化は、センサによって検出されるユーザの現在の運動および姿勢と、運動に対抗するウェアラブルアクティブ補助デバイスの慣性および/または摩擦との両方を考慮に入れて、ユーザによって感知可能な閾値以下に補助を保つ態様であり、出力ステージは、現在のモデル化された伸長および/または要求される肢補助にしたがってモータ作動信号を出力するように適応させられる。 Moreover, even in such cases, the transmission mode described herein can be used to define the basic elongation initiation for which additional assistance is provided, and thus the transmission mode is considered useful. Can be. In this way, for example, the overall support during periodic movements can be more constant. In such cases, the wearable active auxiliary device may include, for example, a motor and a control device, the motor being operable to provide joint assistance, via at least one force transfer element stretched and contracted by the motor. Coupled to the joints to be actively assisted, the controller outputs motor activation signals according to the inputs from multiple sensors, the signal processing stage for processing the signals, and the processed sensor signals. The control unit comprises a model stage, the model stage is adapted to model the extension of at least one force transfer element, and the modeling is of the user detected by the sensor. It is an embodiment that keeps the assist below the threshold perceptible by the user, taking into account both the current motion and posture and the inertia and / or friction of the wearable active assistive device that opposes the motion, and the output stage is currently It is adapted to output a motor actuation signal according to the modeled extension and / or required limb assistance of.

ここで、図1およびそこに示される実施形態に戻ると、ユーザ4は、特定の補助度を要求するが、アクティブ補助が要求されない少なくともいくつかの期間もウェアラブルアクティブ補助デバイスを使用する人間の患者である。 Now, returning to FIG. 1 and the embodiments shown therein, the user 4 is a human patient who uses the wearable active assist device for at least some period of time when a particular degree of assistance is requested but active assist is not required. Is.

力伝達要素は、力伝達要素を伸縮させるようにモータ2によって回転させられるリール上でコイル状に巻かれかつ巻き戻されるテンドンである。これは、とりわけ図7に見られ得る。ウェアラブルアクティブ補助デバイスが構築され、力伝達要素が人間のユーザ4の身体に沿って導かれる精密な方法は、図1には示されないが、この点については、WO2018/122106A1号への参照がなされ得る。おそらく、本発明が実装され得るウェアラブルアクティブ補助デバイスの非限定的な例がそこに示されている。 The force transmission element is a tendon that is coiled and unwound on a reel that is rotated by a motor 2 so as to expand and contract the force transmission element. This can be seen, among other things, in FIG. A precise method by which a wearable active auxiliary device is constructed and the force transfer element is guided along the body of human user 4 is not shown in FIG. 1, but a reference is made to WO2018 / 122106A1 in this regard. obtain. Perhaps there are non-limiting examples of wearable active auxiliary devices in which the present invention can be implemented.

異なる層等からの構築等の多くの詳細も、引用される書類に示されている。これらは、絶対に必要なわけではないが、本発明においても有用である。したがって、引用される資料にしたがった構築を有し、かつ、引用される書類にしたがったセンサと、本明細書中で説明されるもの以外の引用される書類に密接に対応する制御装置とを有するウェアラブル筋肉補助デバイスが、本発明のために完全に使用可能であるが、本発明は、WO2018/122106A1号のように構築されたウェアラブルアクティブ補助デバイスに限定されないこと、および本発明の基本的な発想が、異なる構築を有するウェアラブルアクティブ補助デバイスでも用いられ得ることが留意されるべきである。 Many details, such as construction from different layers, are also shown in the cited documents. These are not absolutely necessary, but are also useful in the present invention. Accordingly, a sensor that has a structure according to the material cited and that follows the document cited and a control device that closely corresponds to the document cited other than those described herein. The wearable muscle assisting device having is fully usable for the present invention, but the present invention is not limited to the wearable active assisting device constructed as WO2018 / 122106A1 and the basics of the present invention. It should be noted that the idea can also be used in wearable active auxiliary devices with different constructions.

示される実施形態では、補助される関節は、ユーザの膝関節および尻関節、特に右脚の関節であり、第1の三軸加速度センサ8dが、脛部に提供され、第2の三軸加速度センサが大腿部に提供される。さらに、右尻(センサ8a)および右膝(センサ8c)の曲げ角度を示すために、角度センサが提供される。さらなる角度センサが、足首に提供され得る(図1に示されず)。様々な姿勢についての様々な角度が図7にも示される。 In the embodiments shown, the assisted joints are the user's knee and hip joints, especially the right leg joint, and a first triaxial accelerometer 8d is provided to the shin and a second triaxial accelerometer. The sensor is provided on the thigh. Further, an angle sensor is provided to indicate the bending angle of the right hip (sensor 8a) and the right knee (sensor 8c). An additional angle sensor may be provided on the ankle (not shown in FIG. 1). Different angles for different postures are also shown in FIG.

示される実施形態における力伝達要素5は、非伸長性材料から作製されカフス12を介して脛部に係留されたテンドンである(図2参照)。テンドン5とカフス12との間に、比較的復元性のある螺旋状ばね13が提供される。コイルばね13は、その一端でカフス12に係留され、その別の端部でテンドン5の端部5aに係留される。ロープ14は、螺旋状ばね13に平行であり、コイルバネ13内に導かれる。ロープ14の長さは、ロープ内で復元性要素13がその最大許容延長までたるむような長さである。もちろん、そのような拘束は、コイルバネではない復元性要素、例えばゴムバンドでも実装可能である。 The force transfer element 5 in the embodiment shown is a tendon made from a non-extensible material and moored to the shin via cuffs 12 (see FIG. 2). A relatively resilient spiral spring 13 is provided between the tendon 5 and the cuffs 12. The coil spring 13 is moored to the cuffs 12 at one end thereof and to the end portion 5a of the tendon 5 at the other end portion thereof. The rope 14 is parallel to the spiral spring 13 and is guided into the coil spring 13. The length of the rope 14 is such that the restorative element 13 slackens within the rope to its maximum permissible extension. Of course, such constraints can also be implemented with restorative elements other than coil springs, such as rubber bands.

図3に見られ得るように、ユーザ3の脚に沿うテンドンの長さは、ユーザの姿勢、特に膝および尻の曲げ角度に依存する。さらに、モータが比較的高い位置でユーザの胴に取り付けられる場合、テンドンの長さは、胴自体の姿勢にも依存する。テンドン5の長さの変化は、ウェアラブルアクティブ補助デバイスによって実装される場合、とりわけテンドンが人間の身体の近くに沿う経路に依存する。例えばテンドンが尻の前に導かれるか、または尻の背後に導かれるかに依存して、長さが異なる。これは、もちろん考慮に入れられ得る。これは、特に、図3に示されるように、図3で角度α、角度β、角度γで示される現在の曲げ角度にのみ依存する仮想の尻および仮想の脚を定義することによって仮想テンドン長を計算することによって行われる。 As can be seen in FIG. 3, the length of the tendon along the leg of the user 3 depends on the posture of the user, especially the bending angles of the knees and hips. Further, if the motor is mounted on the user's torso at a relatively high position, the length of the tendon also depends on the posture of the torso itself. The change in length of the tendon 5 depends on the path along which the tendon is particularly close to the human body when implemented by a wearable active auxiliary device. For example, the length varies depending on whether the tendon is guided in front of the buttocks or behind the buttocks. This can, of course, be taken into account. This is a virtual tendon length, in particular, by defining a virtual butt and a virtual leg that depend only on the current bending angle represented by angles α, β, and γ in FIG. 3, as shown in FIG. Is done by calculating.

そして、ユーザが肢を動かすことを望む場合、任意のウェアラブル補助デバイスも、動かされることを必要とするいくらかの質量を有することが、当業者に明らかであろう。例えば、脛部を動かすとき、カフス12は、テンドン5の一部等と共にばね13、ロープ14も動かされる必要がある。ウェアラブルアクティブ補助デバイスの一部の衣類様構造に起因するいくらかの摩擦、ならびに、衣類の内部の摩擦、および一般的に理解されているような摩擦の他の原因の摩擦も存在する。 And it will be apparent to those skilled in the art that any wearable auxiliary device will also have some mass that needs to be moved if the user wishes to move the limb. For example, when moving the shin, the cuffs 12 need to move the spring 13 and the rope 14 together with a part of the tendon 5. There is also some friction due to some garment-like structures of the wearable active auxiliary device, as well as friction inside the garment, and other causes of friction as is generally understood.

ここで、ユーザが、最小補助として0補助を提供されるが、ウェアラブルアクティブ補助デバイス1によって悪影響を受けない場合、図4に描写される補償コンポーネントが、考慮に入れられ、慣性、ならびに他の効果および妨害の間の摩擦等を補償される。さもなければ、ユーザは、ウェアラブルアクティブ補助デバイスの追加の摩擦および慣性を克服するために、単に追加の力を付与する必要があり得る。克服される慣性は、特定の運動に依存することも明らかであろう。例えば、脛部が動かされる場合、補償される慣性は、脛部が、遊脚フェーズの初期の間サポートされるかまたは遊脚フェーズの中期の間サポートされるかに依存し、遊脚フェーズの初期では、高い加速度が必要とされ、遊脚フェーズの中期では、速度は基本的に短時間一定のままであり、そのため慣性力は補償されることを必要としない。摩擦力も、現在の速度および現在の曲げ角度に依存し得る。(摩擦および慣性の効果の説明のために、立脚または遊脚等の運動パターンおよび運動フェーズへの言及がなされるが、その決定は必須ではない。むしろ、脛部等の速さの決定で十分である。 Here, if the user is provided with 0 assist as the minimum aid but is not adversely affected by the wearable active auxiliary device 1, the compensation component depicted in FIG. 4 is taken into account, inertia, and other effects. And the friction between interferences is compensated. Otherwise, the user may simply need to apply additional force to overcome the additional friction and inertia of the wearable active auxiliary device. It will also be clear that the inertia to be overcome depends on the particular movement. For example, if the shin is moved, the compensated inertia depends on whether the shin is supported during the early part of the swing phase or during the middle part of the swing phase. Initially, high acceleration is required, and in the middle of the swing phase, the velocity remains essentially constant for a short period of time, so the inertial force does not need to be compensated. The frictional force may also depend on the current speed and the current bending angle. (For the purpose of explaining the effects of friction and inertia, reference is made to the movement pattern and movement phase such as stance or swing leg, but the determination is not essential. Rather, the determination of the speed of the shin etc. is sufficient. Is.

図4に示されるように、透過的な力をモデル化するモデルステージは、好ましい実施形態において、人間の身体の様々な部分、すなわち、胴、大腿部、脛部の現在の姿勢または位置を考慮に入れ、かつ、胴、大腿部および脛部の現在の速度も考慮に入れる。そして、胴、大腿部および脛部等の各コンポーネントに関する摩擦およびそれぞれの慣性、ならびに復元性要素力コンポーネントも、考慮に入れられ得る。 As shown in FIG. 4, a model stage that models a penetrating force, in a preferred embodiment, captures the current posture or position of various parts of the human body, namely the torso, thighs, and shins. Take into account, and also take into account the current speeds of the torso, thighs and shins. Friction and inertia of each component, such as the torso, thighs and shins, as well as the restorative elemental force component can also be taken into account.

モータは、摩擦および慣性にも貢献し、それによって、胴、大腿部および脛部それぞれについてのIMU(慣性測定ユニット)等のセンサにさらに貢献し、好ましくは、モータエンコーダ信号も考慮に入れられるべきであることが明らかであろう。これらの信号を用いて、位置補償力、速度補償力、摩擦補償力、慣性補償力は、それぞれ、位置補償コンポーネント、速度補償コンポーネント、摩擦補償コンポーネント、慣性補償コンポーネントから計算され得る。 The motor also contributes to friction and inertia, thereby further contributing to sensors such as IMUs (Inertial Measurement Units) for the torso, thigh and shin respectively, preferably taking into account motor encoder signals as well. It will be clear that it should be. Using these signals, the position compensating force, the velocity compensating force, the friction compensating force, and the inertia compensating force can be calculated from the position compensating component, the speed compensating component, the friction compensating component, and the inertial compensating component, respectively.

これらの力コンポーネントを追加することによって、ウェアラブルアクティブ補助デバイスが運動を補助も妨害もしていない印象をユーザに与えるために用いられる全体的な透過的な力が決定される。 The addition of these force components determines the overall transmissive force used to give the user the impression that the wearable active auxiliary device is neither assisting nor interfering with movement.

図5a、図5b、図5dにより詳細にみられ得るように、各IMUは、ジャイロセンサおよび加速度センサ(特に三軸加速度センサ)を備え、ジャイロセンサおよび加速度センサは、それぞれジャイロ大腿部、加速度大腿部、ジャイロ脛部、加速度脛部、ジャイロ胴、加速度胴、ジャイロ大腿部、加速度大腿部、ジャイロ脛部、加速度脛部として指定される。これらのセンサ信号から、現在の大腿部角度および現在の脛部角度が計算され、これらの角度は、速度補償コンポーネントの決定と、膝角度および尻角度を導出することとの両方において用いられる。そして、これらの角度から、仮想尻角度および仮想脚長さがユーザ特有でないモデルに基づいて計算され、仮想テンドンの提案される長さという結果となる。 As can be seen in more detail in FIGS. 5a, 5b and 5d, each IMU comprises a gyro sensor and an accelerometer (particularly a triaxial accelerometer), with the gyro sensor and accelerometer being the gyro thigh and accelerometer, respectively. It is designated as a thigh, a gyro shin, an acceleration shin, a gyro body, an acceleration body, a gyro thigh, an acceleration thigh, a gyro shin, and an acceleration shin. From these sensor signals, the current thigh angle and the current shin angle are calculated, and these angles are used both in determining the velocity compensating component and in deriving the knee and hip angles. Then, from these angles, the virtual tail angle and the virtual leg length are calculated based on a model that is not user-specific, resulting in the proposed length of the virtual tendon.

この決定を何度も繰り返し、経時的な仮想ケーブル長さの変化が計算される。 This decision is repeated many times to calculate the change in virtual cable length over time.

経時的な仮想ケーブル長さの変化は、現在の速度が、現在の運動を完全に補償するために必要とされる正しい速度であるか否かを決定するために、モータエンコーダ信号から導出されたモータの現在の速度と比較され得る。必要ならば、現在の速度が補正され得る。 The change in virtual cable length over time was derived from the motor encoder signal to determine if the current velocity is the correct velocity required to fully compensate for the current motion. Can be compared to the current speed of the motor. If necessary, the current speed can be corrected.

同様にして、姿勢補償を決定するために、再度、胴角度、大腿部角度および脛部角度が用いられ、これらから膝角度がここで決定される。膝角度および胴角度は、それぞれの初期角度と比較され、その差が長さの変化を決定する。初期大腿部角度も考慮に入れられる。このようにして、現在の伸長が正しいか、または、引っ張りまたはたるみを避けるように増加させられるべきか減少させられるべきかが決定され得る。この決定の結果に依存して、現在位置に関する力コンポーネントが決定される。 Similarly, to determine posture compensation, the torso angle, thigh angle and shin angle are again used, from which the knee angle is determined here. The knee and torso angles are compared to their initial angles and the difference determines the change in length. The initial thigh angle is also taken into account. In this way it can be determined whether the current elongation is correct or should be increased or decreased to avoid pulling or sagging. The result of this decision determines the force component for the current position.

最終的に、組織のコンプライアンスおよび力が付与されているときにコンプライアンスがテンドンの変位に及ぼす影響が、テンドンが人間の身体に力を付与しているときの人間の身体の組織の加圧を補償する態様で考慮に入れられることが可能であり、好ましい。 Ultimately, organizational compliance and the effect of compliance on tendon displacement when force is applied compensates for the pressurization of the human body tissue when tendon is exerting force on the human body. It is possible and preferable that it can be taken into consideration in such an embodiment.

好ましいアクチュエータにおいて、アクチュエータからの回転角度エンコーダ信号をカウントするカウンタを用いてテンドンの紆曲または紆曲の解消を決定することと、例えばアクチュエータに印加される電流および/または電圧から、同時にテンドンに付与される力を推定することが可能であることが留意されるべきである。このようにして、力−テンドン長関係が確立され得、それから、組織加圧の効果等が推定され得る。そのような関係は、テンドンを引っ張ることによって、テンドンが身体に沿って導かれる経路がわずかに変化すること、およびウェアラブルアクティブ補助デバイスの織物部分が互いに対して滑るかまたはそれらの位置を幾分か変更し得ること(力−テンドン長関係のわずかな変化につながる)等を考慮に入れて、繰り返し決定され得る。挙動におけるそのようなバリエーションは、例えば図6bから推論され得る。精密さの目的で、図6においてエンコーダカウントへの言及がなされることが留意される。エンコーダカウントは、テンドン長に密接に関連している一方で、テンドンの紆曲または紆曲の解消に起因して、作動モータのフル回転は、フル回転がテンドンのより大きい径がほとんど完全に巻き上げられることに起因するテンドン長のより大きい変化という結果となる場合に比べて、テンドンが完全に延在される場合により小さい結果となることが理解される。それにもかかわらず、概略的パターンは、容易にみられ、コントローラ、特に特定のソフトウェアモジュールを有するマイクロプロセッサベースのコントローラにおけるそのような効果を補正することが容易である。曲線AB−BC−CAに示されるように力を増加させまたは高速で減少させるために平均の挙動を導出することが可能であることが、図6cから見られ得る。 In a preferred actuator, a counter that counts the rotation angle encoder signal from the actuator is used to determine the twist or distortion of the tendon and, for example, the current and / or voltage applied to the actuator to simultaneously apply to the tendon. It should be noted that it is possible to estimate the force to be applied. In this way, the force-tendon length relationship can be established, and then the effect of tissue pressurization and the like can be estimated. Such a relationship is that pulling the tendon causes a slight change in the path that the tendon is guided along the body, and that the woven pieces of the wearable active auxiliary device slide against each other or somewhere in their position. It can be determined repeatedly, taking into account things that can be changed (leading to slight changes in the force-tendon length relationship). Such variations in behavior can be inferred, for example, from FIG. 6b. It should be noted that reference is made to the encoder count in FIG. 6 for the purpose of precision. While the encoder count is closely related to the tendon length, due to the twist or elimination of the tendon, the full rotation of the working motor is almost completely wound up by the larger diameter of the tendon. It is understood that the result is smaller when the tendon is completely extended than when it results in a larger change in tendon length due to being. Nonetheless, schematic patterns are easily seen and it is easy to compensate for such effects in controllers, especially microprocessor-based controllers with specific software modules. It can be seen from FIG. 6c that it is possible to derive the average behavior to increase the force or decrease it at high speed as shown in the curves AB-BC-CA.

例えば図6aから明らかであるように、付与される様々な最大の力が、様々な変化という結果となること、図6aまたは図6bから明らかでもあるように、付与される力を増加させることは、力が減少させられるときに観測される挙動と異なる挙動という結果となること、および図6cと比較して、説明される効果は、異なる姿勢において異なることも理解されるであろう。したがって、概略的な挙動および/または組織加圧等の概略的な影響がモデル化され得、さらに、かつ/または代替として、姿勢の有意な変化の後最初に力が付与されるか否か、または力の付与が繰り返されるか否かを特に考慮に入れて、挙動がモデル化され得る。さらに、かつ/または代替として、所与の姿勢において現在または以前に付与された最大の力を考慮に入れて、挙動がモデル化され得る。さらに、かつ/または代替として、以前の姿勢、特に現在の姿勢の直前の姿勢(単数または複数)を考慮に入れて、挙動がモデル化され得る。図6dは、ユーザの硬さモデルを決定するための潜在的力プロファイルを示す。図6eに描写される結果は、補償され得るシステムのたるみの異なる長さをさらに示す。 For example, as is clear from FIG. 6a, the various maximum forces applied result in various changes, and as is also apparent from FIG. 6a or FIG. 6b, increasing the applied force is possible. It will also be appreciated that the results will be different from the behavior observed when the force is reduced, and that the effects described will be different in different postures as compared to FIG. 6c. Thus, whether general behavior and / or general effects such as tissue pressurization can be modeled and / or, as an alternative, force is applied first after a significant change in posture. Alternatively, the behavior can be modeled with particular consideration of whether or not the force is applied repeatedly. In addition, and / or as an alternative, the behavior can be modeled taking into account the maximum force currently or previously applied in a given pose. Further and / or as an alternative, the behavior can be modeled taking into account the previous posture, in particular the posture immediately preceding the current posture (s). FIG. 6d shows a potential force profile for determining a user's hardness model. The results depicted in FIG. 6e further show the different lengths of system sagging that can be compensated for.

モデルは、日ごとのバリエーションが発生し得ること、および現在の力−テンドン長関係を確立または推定することによってこれらのバリエーションが補償され得ることを考慮に入れて、幅広いユーザについて収集された平均データに基づき得、かつ/または単一のユーザについて、特にデバイスが着用される特定のユーザおよび特定の現在の方法について特に収集されたデータに基づき得る。従って、好ましい実施形態において、モデルは、付与されている力をテンドンの移動の測定に相関付けて決定され得、それによって、システムは、テンドンの移動を補償する(ケーブルを繰り出す)ことによってユーザの任意の潜在的高圧ポイントを考慮に入れ得ることを留意されたい。加圧されると、もちろん組織はいくらかエネルギーを吸収すること、および、これは組織をばね−ダンパーシステムとして扱う態様でモデル化され得、ばね−ダンパーシステムは、力伝達要素からエネルギーを吸収することによって制御アクション中の潜在的な不安定性を安定化することを助け、突然の補助の増加が要求されるときに安全な作動でシステムが応答することも向上させることも留意されるべきである。 The model is average data collected for a wide range of users, taking into account that daily variations can occur and that these variations can be compensated for by establishing or estimating the current force-tendon length relationship. And / or may be based on data collected specifically for a single user, especially for the particular user on which the device is worn and for a particular current method. Thus, in a preferred embodiment, the model can be determined by correlating the applied force to the measurement of tendon movement, whereby the system compensates for the movement of the tendon (feeds out the cable) of the user. Note that any potential high pressure point can be taken into account. When pressurized, of course, the tissue absorbs some energy, and this can be modeled in a manner that treats the tissue as a spring-damper system, which is a spring-damper system that absorbs energy from a force transfer element. It should also be noted that this helps stabilize potential instability during control actions and also improves the response of the system with safe operation when sudden increases in assistance are required.

制御装置は、例えばユーザのサイズと無関係な透過モードのために必要な伸長を決定するために、ユーザのサイズおよび重量とは無関係に力伝達要素の伸長をモデル化するように適応させられるが、上記から明らかであるように力−テンドン長関係は簡単に決定され得るので、これに対する免除が力−テンドン長関係に関して作製され得ることが留意されるべきである。 The controller is adapted to model the elongation of the force transfer element independently of the user's size and weight, for example to determine the elongation required for the transmission mode independent of the user's size. It should be noted that since the force-tendon length relationship can be easily determined as is clear from the above, an exemption for this can be made for the force-tendon length relationship.

ここで、特定のサイズを有する特定のユーザのためのウェアラブルアクティブ補助デバイスの正確な挙動をモデル化することが可能であり得るが、例えば患者の脚が事故の後最初に膨れ、膨れは経時的に減少するので、モデル化は、たいてい、頻繁に再び何度も繰り返される必要があり得る数多くの測定を要求し得る。 Here it may be possible to model the exact behavior of a wearable active auxiliary device for a particular user with a particular size, for example the patient's leg first bulges after an accident and the bulge over time. The modeling can often require a large number of measurements that may need to be repeated over and over again frequently.

したがって、概略的なパラメータを用いるために図2に関して説明されるような復元性要素を用いること、および、精密にテンドンのみを伸縮させることによって、ばね13が透過モード中に完全には延在しないことが所望される。例えば患者が疲労することにより実際の補助が必要とされるときのみ、要素14がもはやたるまないほど十分にテンドン5が短くされる。テンドン5が繰り出される必要がある距離は、本発明の透過モード中は極端に小さいので、アクティブ補助は、ほとんど即座に、かつサポートされる肢に衝撃または痙攣を引き起こすことなく提供され得る。 Therefore, by using the restorative elements as described with respect to FIG. 2 to use the schematic parameters, and by precisely expanding and contracting only the tendons, the spring 13 does not completely extend into the transmission mode. Is desired. The tendon 5 is shortened sufficiently so that the element 14 no longer sags, for example, only when the patient is tired and the actual assistance is needed. Since the distance that the tendon 5 needs to be delivered is extremely small during the transmission mode of the present invention, active assistance can be provided almost immediately and without causing impact or spasm to the supported limb.

Claims (35)

ウェアラブルアクティブ補助デバイスであって、前記ウェアラブルアクティブ補助デバイスは、アクチュエータと、制御装置とを備え、前記アクチュエータは、使用時に肢補助を提供し、前記アクチュエータによって伸縮させられる少なくとも1つの力伝達要素を介して能動的に補助される肢に結合され、前記制御装置は、複数のセンサからの信号についての入力と、前記複数のセンサからの入力信号を処理するための信号処理ステージと、前記処理されたセンサ信号にしたがってモータ作動信号を出力するための出力ステージとを有し、前記制御装置は、肢補助度を選択するための肢補助度選択入力をさらに有し、
前記信号処理ステージは、前記複数のセンサによって現在検出されている運動または姿勢に対応して、伸縮させられる前記少なくとも1つの力伝達要素の伸長を継続的にモデル化し、伸縮させられる前記少なくとも1つの力伝達要素のモデル化された伸長にしたがって、かつ選択された最小肢補助度に応答して、継続的にアクチュエータ作動信号を出力するように適応させられる、ウェアラブルアクティブ補助デバイス。
A wearable active auxiliary device, wherein the wearable active auxiliary device comprises an actuator and a control device, the actuator providing limb assistance during use, via at least one force transfer element that can be expanded and contracted by the actuator. The control device is coupled to an actively assisted limb, the control device comprises a signal processing stage for processing inputs from the plurality of sensors and input signals from the plurality of sensors, and said processing. It has an output stage for outputting a motor operation signal according to a sensor signal, and the control device further has a limb assist degree selection input for selecting a limb assist degree.
The signal processing stage continuously models the extension of the at least one force transmitting element to be expanded and contracted in response to the motion or posture currently detected by the plurality of sensors, and the at least one to be expanded and contracted. A wearable active assistive device that is adapted to continuously output actuator activation signals according to the modeled extension of the force transfer element and in response to the selected minimum limb assist.
システム応答は、人間の身体の物理的特徴、特に、前記デバイスを着用する特定のユーザの特定の物理的特徴を考慮に入れる態様で決定される、請求項1に記載のウェアラブルアクティブ補助デバイス。 The wearable active auxiliary device of claim 1, wherein the system response is determined in a manner that takes into account the physical characteristics of the human body, in particular the specific physical characteristics of a particular user wearing said device. 前記制御装置は、前記ユーザのサイズおよび重量に関係なく力伝達要素の伸長をモデル化するように適応させられる、請求項1または請求項2に記載のウェアラブルアクティブ補助デバイス。 The wearable active auxiliary device of claim 1 or 2, wherein the control device is adapted to model the extension of a force transfer element regardless of the size and weight of the user. 前記複数のセンサは、ジャイロセンサおよび/または加速度センサおよび/または磁気センサおよび/または伸縮性センサおよび/または運動センサおよび/または角度センサを備える、請求項1〜請求項3のうちのいずれか一項に記載のウェアラブルアクティブ補助デバイス。 One of claims 1 to 3, wherein the plurality of sensors include a gyro sensor and / or an acceleration sensor and / or a magnetic sensor and / or a stretch sensor and / or a motion sensor and / or an angle sensor. Wearable active auxiliary device as described in section. 前記複数のセンサは、各脚の複数の肢または関節の各々に少なくとも1つのジャイロセンサおよび/または加速度センサを備える、請求項4に記載のウェアラブルアクティブ補助デバイス。 The wearable active auxiliary device of claim 4, wherein the plurality of sensors comprises at least one gyro sensor and / or an acceleration sensor for each of the plurality of limbs or joints of each leg. 1つの脚の現在の力伝達要素の伸長は、両脚からのセンサ信号に応答して決定される、請求項5に記載のウェアラブルアクティブ補助デバイス。 The wearable active auxiliary device of claim 5, wherein the extension of the current force transmitting element of one leg is determined in response to sensor signals from both legs. 前記制御装置は、前記力伝達要素における力および/または張力を示す任意の力表示信号または張力表示信号から独立して、特にロードセルセンサ測定信号から独立して、力伝達要素の伸長をモデル化するように適応させられる、請求項1〜請求項6のうちのいずれか一項に記載のウェアラブルアクティブ補助デバイス。 The control device models the elongation of the force transfer element independently of any force or tension display signal indicating force and / or tension in the force transfer element, especially independent of the load cell sensor measurement signal. The wearable active auxiliary device according to any one of claims 1 to 6, which is adapted as described above. 前記制御装置は、前記力伝達要素の摩擦および/または慣性を考慮に入れる態様で、伸縮させられる前記少なくとも1つの力伝達要素の伸長をモデル化するように適応させられる、請求項1〜請求項7のうちのいずれか一項に記載のウェアラブルアクティブ補助デバイス。 Claims 1 to claim that the control device is adapted to model the elongation of the at least one force transmitting element to be expanded and contracted in a manner that takes into account the friction and / or inertia of the force transmitting element. The wearable active auxiliary device according to any one of 7. 前記肢とアクチュエータの間の復元性弾性要素、特にばねが、伸縮させられる前記力伝達要素と直列に提供され、最大可能伸長までにばねの伸長を拘束するためのリストリクタが提供される、請求項1〜請求項8のうちのいずれか一項に記載のウェアラブルアクティブ補助デバイス。 The restorative elastic element between the limb and the actuator, in particular the spring, is provided in series with the force transmitting element to be expanded and contracted, and a restrictor is provided to constrain the extension of the spring to maximum possible extension. The wearable active auxiliary device according to any one of claims 1 to 8. 前記復元性弾性要素は、選択された最小肢補助度において許容される最大残留力で、前記ばねが、標準化されたモデルと所与のユーザのための伸張補正との間の最大可能差以下だけ伸長させられるような復元係数を有する、請求項9に記載のウェアラブルアクティブ補助デバイス。 The restorative elastic element is the maximum residual force allowed at the selected minimum limb assist, and the spring is only less than or equal to the maximum possible difference between the standardized model and the stretch correction for a given user. The wearable active auxiliary device of claim 9, which has a resilience factor such that it can be stretched. 伸縮させられる前記少なくとも1つの力伝達要素は、力伝達要素を備え、伸縮すると前記力伝達要素を巻き上げまたは巻き戻すようにリールが提供され、特に、前記アクチュエータは、ステップモータまたはブラシレスモータでもある、請求項1〜請求項10のうちのいずれか一項に記載のウェアラブルアクティブ補助デバイス。 The at least one force transmitting element to be expanded and contracted comprises a force transmitting element, and a reel is provided so as to wind up or rewind the force transmitting element when expanded and contracted, and in particular, the actuator is also a step motor or a brushless motor. The wearable active auxiliary device according to any one of claims 1 to 10. 前記力伝達要素は、たるみシースで導かれる、請求項1〜請求項11のうちのいずれか一項に記載のウェアラブルアクティブ補助デバイス。 The wearable active auxiliary device according to any one of claims 1 to 11, wherein the force transmission element is guided by a sagging sheath. 前記アクチュエータによって伸縮させられる前記少なくとも1つの力伝達要素は、複数の関節を超えて伸張する、請求項1〜請求項12のうちのいずれか一項に記載のウェアラブルアクティブ補助デバイス。 The wearable active auxiliary device according to any one of claims 1 to 12, wherein the at least one force transmission element expanded and contracted by the actuator extends beyond a plurality of joints. 最小補助度において、前記制御装置は、前記残留力が前記ユーザに知覚されないように前記伸長を維持するように適応させられる、請求項1〜請求項13に記載のウェアラブルアクティブ補助デバイス。 The wearable active auxiliary device according to claim 13, wherein at the minimum degree of assistance, the control device is adapted to maintain the extension so that the residual force is not perceived by the user. 前記肢における前記残留力は、30Nより小さい、請求項14に記載のウェアラブルアクティブ補助デバイス。 The wearable active auxiliary device according to claim 14, wherein the residual force in the limb is less than 30 N. 前記残留力は、20Nより小さい、請求項15に記載のウェアラブルアクティブ補助デバイス。 The wearable active auxiliary device according to claim 15, wherein the residual force is smaller than 20 N. 前記残留力は、10Nより小さい、請求項16に記載のウェアラブルアクティブ補助デバイス。 The wearable active auxiliary device according to claim 16, wherein the residual force is less than 10 N. 前記力伝達要素によって誘導される前記残留力は、0.5Nより大きい、請求項14〜請求項17のうちのいずれか一項に記載のウェアラブルアクティブ補助デバイス。 The wearable active auxiliary device according to any one of claims 14 to 17, wherein the residual force induced by the force transmitting element is greater than 0.5 N. 前記力伝達要素によって誘導される前記残留力は、1Nより大きい、請求項18に記載のウェアラブルアクティブ補助デバイス。 The wearable active auxiliary device of claim 18, wherein the residual force induced by the force transfer element is greater than 1N. 前記力伝達要素によって誘導される前記残留力は、0.5Nと5Nとの間である、請求項18に記載のウェアラブルアクティブ補助デバイス。 The wearable active auxiliary device of claim 18, wherein the residual force induced by the force transfer element is between 0.5N and 5N. 前記力伝達要素によって誘導される前記残留力は、少なくとも運動の一部に関する、請求項14〜請求項20のうちのいずれか一項に記載のウェアラブルアクティブ補助デバイス。 The wearable active auxiliary device according to any one of claims 14 to 20, wherein the residual force induced by the force transmitting element relates to at least a part of motion. 前記力伝達要素によって誘導される前記残留力は、周期的運動の少なくとも50%に関する、請求項21に記載のウェアラブルアクティブ補助デバイス。 21. The wearable active auxiliary device of claim 21, wherein the residual force induced by the force transfer element relates to at least 50% of periodic motion. 前記力伝達要素によって誘導される前記残留力は、周期的運動の少なくとも66%に関する、請求項22に記載のウェアラブルアクティブ補助デバイス。 22. The wearable active auxiliary device of claim 22, wherein the residual force induced by the force transfer element relates to at least 66% of periodic motion. 前記力伝達要素によって誘導される前記残留力は、周期的運動の少なくとも75%に関する、請求項23に記載のウェアラブルアクティブ補助デバイス。 23. The wearable active auxiliary device of claim 23, wherein the residual force induced by the force transfer element relates to at least 75% of periodic motion. 前記制御装置は、選択された最小補助度から前記最小度より高い補助度へ移行するときに、力伝達要素の10cm以下のたるみが、前記ユーザに知覚可能な補助を提供する前に巻き上げることによって克服されることを必要とするように前記伸長をモデル化するように適応させられる、請求項1〜請求項24のうちのいずれか一項に記載のウェアラブルアクティブ補助デバイス。 The controller rolls up less than 10 cm of slack in the force transfer element before providing perceptible assistance to the user as the controller transitions from the selected minimum degree of assistance to a degree of assistance higher than the minimum degree. The wearable active auxiliary device according to any one of claims 1 to 24, which is adapted to model the elongation as required to be overcome. 力伝達要素の7cm以下のたるみが、前記ユーザに知覚可能な補助を提供する前に巻き上げることによって克服されることを必要とする、請求項25に記載のウェアラブルアクティブ補助デバイス。 25. The wearable active auxiliary device of claim 25, wherein the slack of 7 cm or less of the force transfer element needs to be overcome by winding up before providing the user with perceptible assistance. 力伝達要素の5cm以下のたるみが、前記ユーザに知覚可能な補助を提供する前に巻き上げることによって克服されることを必要とする、請求項25に記載のウェアラブルアクティブ補助デバイス。 25. The wearable active auxiliary device of claim 25, wherein the slack of 5 cm or less of the force transfer element needs to be overcome by winding up before providing the user with perceptible assistance. 前記アクティブ補助デバイスは、脚の活動を補助するように適応させられ、前記複数のセンサは、各脚の複数の肢または関節の各々に少なくとも1つのジャイロセンサおよび加速度センサを備える、請求項1〜請求項27のうちのいずれか一項に記載のウェアラブルアクティブ補助デバイス。 The active assist device is adapted to assist leg activity, wherein the plurality of sensors comprises at least one gyro sensor and an acceleration sensor for each of the plurality of limbs or joints of each leg. The wearable active auxiliary device according to any one of claim 27. 1つの脚の現在の力伝達要素は、両脚からのセンサ信号に応答して決定される、請求項28に記載のウェアラブルアクティブ補助デバイス。 28. The wearable active auxiliary device of claim 28, wherein the current force transmitting element of one leg is determined in response to sensor signals from both legs. 前記センサ信号に応答して、前記モデルは、前記センサ信号から現在の意図される運動を識別し、前記識別された現在の運動におけるフェーズを決定し、前記現在の運動の予期される進行にしたがって前記力伝達要素の伸長の変化をモデル化し、前記モデル化された伸長に応答してモータ作動信号を出力するように適応させられる、請求項1〜請求項29のうちのいずれか一項に記載のウェアラブルアクティブ補助デバイス。 In response to the sensor signal, the model identifies the current intended motion from the sensor signal, determines the phase in the identified current motion, and follows the expected progression of the current motion. 13. Wearable active auxiliary device. 前記制御装置は、活動を現在の運動として識別するように適応させられ、前記制御装置は、前記現在の活動におけるフェーズを立脚フェーズまたは遊脚フェーズとして決定し、かつ/または、足の地面との接触を決定し、かつ/または、階段の登りおよび/または上昇および/または歩行、上り坂もしくは下り坂および/または座位移行におけるフェーズを決定するように適応させられる、請求項1〜請求項30のうちのいずれか一項に記載のウェアラブルアクティブ補助デバイス。 The controller is adapted to identify the activity as the current motion, which determines the phase in the current activity as the stance phase or the swing phase and / or with respect to the ground of the foot. 30. The wearable active auxiliary device described in any one of them. ウェアラブルアクティブ補助デバイスのための制御装置、特に請求項1〜請求項31のうちのいずれか一項に記載のウェアラブルアクティブ補助デバイスのための制御装置であって、
前記ウェアラブルアクティブ補助デバイスを備えることは、アクチュエータを有し、前記アクチュエータは、肢補助を提供するように作動可能であり、前記モータによって伸縮させられる少なくとも1つの力伝達要素を介して能動的に補助されるように肢に結合させられ、
前記制御装置は、
複数のセンサからの信号のための入力と、
前記信号を処理するための信号処理ステージと、
前記処理されたセンサ信号にしたがってモータ作動信号を出力するための出力ステージと
を有し、前記制御装置は、モデルステージを備え、モデルステージは、
前記センサによって検出される前記ユーザの現在の運動および/または姿勢と、
運動に対抗する前記ウェアラブルアクティブ補助デバイスの慣性および/もしくは摩擦、ならびに/または前記人間の身体の組織コンプライアンスと
を考慮に入れて、前記ユーザによって感知可能な閾値以下の補助を保つ態様で前記少なくとも1つの力伝達要素の前記伸長をモデル化するように適応させられ、
前記出力ステージは、前記現在のモデル化された伸長および要求される肢補助にしたがって前記モータ作動信号を出力するように適応させられる、制御装置。
A control device for a wearable active auxiliary device, particularly a control device for a wearable active auxiliary device according to any one of claims 1 to 31.
The wearable active assist device comprises an actuator that is operable to provide limb assist and is actively assisted via at least one force transfer element that is expanded and contracted by the motor. Attached to the limbs to be
The control device is
Inputs for signals from multiple sensors and
A signal processing stage for processing the signal and
It has an output stage for outputting a motor operation signal according to the processed sensor signal, the control device includes a model stage, and the model stage is a model stage.
The user's current motion and / or posture detected by the sensor,
The at least one in a manner that maintains sub-threshold assistance perceptible by the user, taking into account the inertia and / or friction of the wearable active assistive device against exercise and / or the tissue compliance of the human body. Adapted to model said elongation of one force transfer element,
The output stage is a control device adapted to output the motor actuation signal according to the current modeled extension and required limb assistance.
予め定義された力/補助プロファイルを参照することなく連続的態様で伸長コンポーネントをモデル化するように適応させられ、
特に、最小補助透過モードで必要とされる伸張をモデル化するように適応させられる、請求項32に記載のコントローラ。
Adapted to model stretch components in a continuous manner without reference to a predefined force / auxiliary profile.
32. The controller of claim 32, in particular, adapted to model the stretch required in the minimal auxiliary transmission mode.
前記コントローラは、検出および/または識別される運動に応答して同時に付与される追加の伸長コンポーネントを決定するようにさらに適応させられ、前記追加の伸長は、前記透過モード伸長に同時に付与される、請求項33に記載のコントローラ。 The controller is further adapted to determine additional extension components that are simultaneously imparted in response to detected and / or identified movements, the additional extension being simultaneously conferred on the transmission mode extension. 33. The controller of claim 33. 前記検出および/または識別される運動は、歩行運動、階段を登る運動、または座位移行運動である、請求項34に記載のコントローラ。 34. The controller of claim 34, wherein the detected and / or identified exercise is a walking exercise, a stair climbing exercise, or a sitting transition exercise.
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